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Kapitel 10. Niedermolekulare Siloxanverbindungen in Silikonölen - Gaschromatographische Studie zu kommerziellen Produkten und deren Veränderung durch Einbrennsilikonisierung

10.1. Problemstellung

Die Vorgaben der Arzneibücher bezüglich der Viskosität haben einerseits den Sinn, cyclische Verbindungen auszuschließen, welche reaktionsfreudiger sind und daher in physiologischer Hinsicht als bedenklicher gelten. Andererseits sollen durch die Begrenzung der Viskosität niedermolekulare Anteile aus den Produkten ferngehalten werden, da auch diese in physiologischer Hinsicht kritischer anzusehen sind.

Es ist daher notwendig, Art und Menge vorhandener Siloxane kürzerer Kettenlängen bestimmen zu können. Auch bei der Zugabe von Endblockern bei der PDMS-Synthese kann die Entstehung von cyclischen Species nicht gänzlich verhindert werden. Lineare und cyclische Siloxane unterliegen außerdem komplizierten Gleichgewichten, so daß eine Veränderung der einzelnen Populationen auch im fertigen Produkt grundsätzlich möglich ist.

Es sollte daher eine GC-Methodik entwickelt werden, die es erlaubt, eine weitestgehende Auftrennung der enthaltenen kürzerkettigen Siloxane durchzuführen und deren Identität zu bestimmen.

Neben der grundsätzlichen Bewertung des Gehaltes an verdampfbaren Siloxanen auch in bezug auf die Viskosität soll durch die Methodik auch ein Rückschluß auf Bedingungen bei der Einbrennsilikonisierung erhalten werden. Durch Untersuchung eingebrannter Silikonöle soll die Reduktion flüchtiger Siloxane in den Produkten sichtbar gemacht werden.

10.1.1. Literatur und methodische Vorgaben

Zur chromatographischen Charakterisierung von PDMS kann die Größenausschlußchromatographie herangezogen werden. Zwar lassen sich Polymereigenschaften wie mittlere Molekulargewichte bestimmen, aber eine Trennung in einzelne Oligomere ist damit nicht möglich. Dies gelingt auf chromatographischem Wege mit Hochdruckflüssigchromatographie HPLC, Superkritischer Fluidchromatographie (SFC) oder Gaschromatographie (GC). HPLC-Methoden finden sich zum Beispiel bei Biggs et al. [ 177 ] oder Cassidy et al. [ 169 ].

Auch mit SFC wurden Polysiloxane mehrfach untersucht, z.B. vonDesbene et al. [ 178 ] (Polymethyl- und dimethylsiloxane), Leyendecker et al. [ 179 ] (Polydimethylsiloxan), Just et al. [ 180 ] (cyclische und lineare PDMS mit bis zu 70 Siloxaneinheiten) und Hagenhoff et al. [ 122 ] (PDMS im Massenbereich von 1000-10000 Dalton im Vergleich mit TOF-SIMS Daten).

Große Übersichten über die GC-Analyse von Organosiliciumverbindungen sind bei Lee-Smith erschienen [ 181 , 182 ]. Ein weiteres Review publizierten Shatz et al. [ 183 ] (248 Referenzen).

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Von Carmichael und Heffel [ 185 , 186 ] wurden kürzerkettige cyclische Siloxane bis zu 15 Siloxaneinheiten detektiert. In folgenden Untersuchungen von Brown und Slusarczuk [ 187 ] gelang die Trennung von Methylsiloxanen mit bis zu 25 Wiederholungseinheiten.

1966 schafften Carmichael et al. [ 188 ] die Auftrennung und Detektion individueller cyclischer Siloxane mit bis zu 40 Wiederholungseinheiten.

Um die Trennung von Dimethylsiloxanen bei noch größeren Molekülen zu erreichen, werden prinzipiell noch höhere Temperaturen und hochtemperaturstabile Stationärphasen benötigt. Es existieren bereits Phasen, die bei temperaturprogrammierter Arbeitsweise bis zu annähernd 450° C stabil sind (Lipsky und Duffy [ 189 ]).

Wachholz et al. [ 190 ] untersuchten Reaktionsmischungen aus Dichlordimethyl- und Trichlormethylsilanen zur Synthese von PDMS. Neben cyclischen PDMS fanden sie noch weitere strukturell anders aufgebaute Siloxane in kleinen Mengen und charakterisierten diese über eine Cryo-FTIR-Einheit. Mit derselben Technik klärten Wacholz et al. [ 191 ] auch die Struktur von Pyrolyseprodukten eines Methylphenylsiloxanharzes auf.

Verschiedene Extrakte aus Teilen von Brustimplantaten wurden von Bonnano und Griffiths [ 192 ] mit einer Hochtemperatur-GC Anordnung (-375° C) analysiert. Eine umfassende Charakterisierung vier verschiedener Gruppen von Homologen wurde erreicht.

Zum direkten Nachweis von Spuren niedermolekularer Polydimethylsiloxane in biologischen Geweben wurde von Kala et al. [ 193 ] ein GC-Methode entwickelt und validiert.

In weiteren Studien wurde diese Methode dann von Lykissa, Kala et al. [ 194 ] zur Quantifizierung der Abgabe von niedermolekularen Siloxanen aus Brustimplantaten in verschiedene umgebende Medien eingesetzt.

1990 erschien eine umfangreiche gaschromatographische Studie von Nakamura et al. [ 195 ] über eine Reihe von medizinisch am Auge verwendeten Silikonölen. Hauptziel war die Bewertung der Öle hinsichtlich ihres Gehaltes an niedermolekularen Siloxanen (low molecular weight siloxanes = LMWS) und Spuren von Katalysatoren. Die Identifikation einzelner Siloxane erfolgte über spiking mit kommerziell erhältlichen Standards. Sie entwickelten eine Methode zur Fraktionierung der Silikonöle, indem diese mit Lösemitteln (Aceton) behandelt wurden, die hauptsächlich LMWS lösen können. Alle so behandelten Produkte enthielten keine GC-detektierbaren LMWS mehr. Der Acetonextrakt wurde dann zur GC-Analyse eingesetzt. Der extrahierbare Anteil bewegte sich zwischen 12 und 30%, wobei nur ein Teil davon mit GC detektierbar ist.

Eine andere Methode zur Abtrennung dieser Anteile ist das Erhitzen bei 200° C für 24 h, wobei hier nur eine teilweise Entfernung stattfindet. Der Erfolg der Behandlung hängt von der Größe der Oberfläche des Silikonöls in dem zum Tempern verwendeten Gefäß ab.

Analysiert wurden auch einige Silikonöle aus der Dow Corning 360 medical fluid Produktreihe (1000 und 12500 cSt. verschiedener Herkunft und Chargen). Die Analyse ergab, daß nahezu alle Produkte deutlich meßbare Gehalte an LMWS enthielten,

165

10.2. Material und Methoden

10.2.1. Untersuchungsgut

10.2.1.1. Silikonöle und Standards

Untersucht wurden jeweils zwei Chargen von handelsüblichen Silikonölen, die für medizinisch-pharmazeutische Zwecke angeboten werden.

Tab. 27 Probenübersicht: Polydimethylsiloxane für die GC-Analyse

Nr.	Produkt - Typ	Hersteller	Viskosität [cSt.]
1-5	DC 360 medical fluid	Dow Corning	20-12500
6	Baysilone M	Bayer-AG	100
7-14	Baysilone MPH	Bayer-AG	50-12500
15	Octamethylcyclotetrasiloxan	Fluka	<2
16	Decamethylcyclopentasiloxan	Fluka	<2
17	Octamethyltrisiloxan	Fluka	<2
18	Decamethyltetrasiloxan	Fluka	<2
19	Dodecamethylpentasiloxan	ABCR-Gelest	<2

10.2.1.2. Eingebrannte Silikonöle

Die Proben eingebrannter Silikonöle wurden analog den GPC- Analysen ( 9.4.3 ) aus Glasartuschenzylindern und Injektionsvials gewonnen.

Tab. 28 Probenübersicht von eingebrannten Silikonölen

Probe	Bezeichnung	Anzahl Proben	Ausgangsprodukt
K 123	Glaszylinder, Gesamtextrakt	2	DC, 350 cSt.
KNS (Kontrolle)	Glaszylinder unsilikonisiert	2	xxx
EVSI	Injektionsvial, Gesamtextrakt	3	Baysilone MPH-100 cSt.
EVNS (Kontrolle)	Injektionsvial unsilikonsiert	1	xxx

Für eine Probe wurden die Extrakte aus je 10 oder 20 Vials bzw. je 1 Kartusche verwendet.

166

10.2.2. Probenvorbereitung

10.2.2.1. eingebrannte Silikonöle siehe 9.4.3.1

Tab. 29 Übersicht: Probenaufarbeitung bei eingebranntem Silikonöl

TYP	Beschreibung	Anzahl / Probe	Extraktionszeit [s]	Extraktions-volumen [ml]
JKSI	Extrakt aus 100 ml Glaszylinder, silikonisiert	1	3 x 30	3 x 10
JKNS	Extrakt aus 100 ml Glaszylinder, unsilikonisiert (Kontrolle)	1	3 x 30	3 x 10
EVSI	Extrakt aus Injektionsvial, silikonisiert	10 / 20	3 x 30	3 x 5
EVNS	Extrakt aus Injektionsvial, unsilikonisiert, (Kontrolle)	10 / 20	3 x 30	3 x 5

10.2.2.2. reine Silikonöle und Standards

Von den reinen Silikonölen wurden je 20 mg auf Aluminiumschiffchen in einen 20 ml Meßkolben eingewogen und mit Toluol p.A. bis zur Marke aufgefüllt (Konz.: 1 mg/ml). Diese Lösungen wurden direkt zur Analyse verwendet. Von den Standards wurden Stammlösungen der Konzentration 1 mg/ml in 100.0 ml Meßkolben hergestellt. Aus dieser Stammlösung wurden durch Verdünnen im Verhältnis 1:10 bzw. 1:100 gebrauchsfertige Lösungen hergestellt.

Die Alkanstandards lagen überwiegend in Lösung vor (10% oder 1% in Ethylbenzen). Von diesen Lösungen wurden mit Mikroliterspritzen Aliquote von 5 oder 10 µl abgenommen und in Meßkolben zu 10.0 bzw. 100.0 ml mit Toluol verdünnt (Konzentration: 0.01 bzw. 0.005 mg/ml).

Zur Bestimmung von Retentionsindices wurden diese Lösungen mit den entsprechenden Silikonölen gemischt (1:4 oder 1:5).

10.2.3. Reagenzien

1. Toluol p.A., Merck
2. Standards zur Bestimmung von Retentionsindices (= n-Alkane von C₆-C₄₀), Fa. Poly Science ("Kit 211 CX" und "Kit 261 C")

10.2.4. Methodik

Für die Methode wurde ein Hochtemperatur-Gaschromatographie-System eingesetzt. Die Identifikation von einzelnen Substanztypen bzw. Einzelsubstanzen erfolgte über ein gekoppeltes Massenspektrometer bzw. durch Bestimmung von Kovats` Retentionsindices bei FID-Detektion.

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Gaschromatograph:	Hewlett Packard HP 5890, Serie II
Autosampler:	Hewlett Packard HP 7673
Injektor A:	Kaltaufgabesystem Gerstel KAS-3
Injektor B:	HP split/splitless Injektor
Detektor:	FID
Massenspektrometer:	Finnigan MAT TSQ-700
Auswertungs-Software:	HP Chemstation, Version A 03.03 (GC-FID) ICIS Version 7.0 (GC-MS)

Für die GC-MS Analysen wurde ein Gaschromatograph des gleichen Bautyps eingesetzt.

Da bekannt war, daß die Trennung der Siloxane im GC wegen der teilweise hohen Molekulargewichte bei typischen mittelviskosen Silikonölen nicht vollständig ist, wurden hohe Ofentemperaturen eingesetzt. Dadurch sollte eine Detektion möglichst langkettiger Siloxane erlaubt werden. Die Analysen wurden durch eine maximal erzielbare Injektor-Temperatur von 400° C nach oben begrenzt.

Eine Kaltaufgabe wurde ausgewählt, da sie die Abtrennung von flüchtigen Siloxanen gegenüber den nicht verdampfbaren Anteilen ermöglicht. Während des KAS-Temperaturprogramms werden alle flüchtigen Siloxane auf die bei 80° C gehaltene Säule überführt. Das nachfolgende Ofentemperaturprogramm des GC trennt diese Fraktion dann in die Einzelsubstanzen auf. Das Zurückbleiben der schweren Fraktion im Glasverdampferrohr des Injektors (Glas-Liner) muß beachtet werden. Ein regelmäßiges Austauschen des Liners ist erforderlich und sollte nach ca. 50 Injektionen erfolgen (Artefakte durch Pyrolyse nicht flüchtiger Siloxane sind möglich: siehe dazu 10.3.5.1 ).

10.2.4.1. Meßbedingungen

10.2.4.1.1. GC-FID

Temperaturprogramm:	0- max. 400°-C (spezielle Angaben bei den Versuchen)
Säule:	J&W Db-1HT und -5HT: Länge: 15 m (20 m) x 0.1 µm Filmdicke und 0.25 mm Innendurchmesser (ID)
Retention-gap:	Chrompack fused silica 2.5 m x 0.53 mm ID, methyldeaktiviert
Injektionsvolumen:	1-2 µl
Injektortemperatur:	Programm: 60-400° C mit 12°/s; Halten bei 400° C für 3 min
Aufgabe:	splitlos, Splitloszeit 45 s
Detektortemperatur:	420° C (max.)
Ofen-Programm:	4.5 min bei 80° C isotherm, dann mit 20° C/min bis 400°, dann 9.5 min isotherm bei 400° C
Trägergas:	Helium
Flußrate:	1.5 ml/min (constant flow)

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10.2.4.1.2. GC-MS

Ionisierung :	chemische Ionisierung (= CI oder DCI, Ionisierungsgas: NH3) Elektronenstoßionisierung (= EI, Ionisierungsspannung: 70 eV )
Injektionsvolumen:	1µl
Säule/Retention-gap:	siehe oben
Injektortemperatur:	350° C (Typ: split/splitlos)
Transferlinientemperatur:	300° C (maximal)
Temperatur Ionenquelle:	300° C
Aufgabe:	splitlos, Splitloszeit: 1.5 min
Trägergas und Flußrate:	siehe oben
Ofen-Programm:	2 min bei 80° C isotherm, dann mit 20° C/min bis 350° C, 9.5 min isotherm bei 350° C

10.3. Ergebnisse und Diskussion

10.3.1. FID-Chromatogramme

Nach Entwicklung der GC Parameter wurden verschiedene Silikonöle untersucht. Das Hauptaugenmerk lag dabei zunächst auf denjenigen Produkten, deren Einsatz bei der Einbrennsilikonisierung bekannt war.

Bei allen untersuchten Silikonölen bis zu einer Viskosität von 500 cSt. zeigte sich ein typisches Chromatogramm. Darin zeigen sich zahlreiche peaks, bei denen eine Gruppierung in zwei Serien zu beobachten ist.

Abb. 70 Gaschromatogramm eines Bayer Silikonöls (Baysilone-MPH-100)

Beide Serien bilden offensichtlich eine homologe Reihe von Siloxanen. Bei der intensiven Peakreihe handelt es sich um lineare, bei der schwachen Serie um cyclische Siloxane, die als Nebenprodukte aus der Synthese zurückbleiben können (Zuordnung über GC-MS: 10.3.2 ). Ein ähnliches Chromatogramm wurde von Nakamura et al. [ 195 ] vorgestellt,

169

Die relative Intensität der beiden Reihen zueinander war, abhängig von der Viskosität, unterschiedlich.

10.3.2. Identifikation verschiedener Siloxan-Typen

Zur strukturellen Unterscheidung der beiden Peakreihen und zur Identifikation einzelner Peaks wurde die GC-MS eingesetzt. Die Zuordnung ihrer Molekulargewichte ist relevant, um zu beurteilen, welche Kettenlängen tatsächlich im Produkt enthalten sind und welche beim Einbrennen verlorengehen.

In der Literatur finden sich Untersuchungen zum massenspektroskopischen Verhalten der Polydimethylsiloxane. Die Differenzierung der PDMS-Oligomere bei Anwendung der Elektronenstoß-Ionisierung (EI) ist im Bereich von bis zu 10 Wiederholungseinheiten möglich.

Frühe Arbeiten von Dihbeler et al. [ 196 ] untersuchten das spezifische Fragmentierungsmuster im niedermolekularen Bereich. Sie wurden später durch weitere Analysen von Orlov et al. [ 197 , 198 ] und Pickering et al. [ 199 ] ergänzt.

Auf Grund der weitestgehenden Abwesenheit der niedermolekularen Spezies einer Kettenlänge von n = 4-14 (Herstellerspezifikation Dow Corning [ 200 ]) ist die Unterscheidung von Homologen mit der klassischen EI-Massenspektroskopie schwierig durchzuführen. Die ohnehin schon kleinen Unterschiede in den Spektren der homologen Siloxane (bei linearen und cyclischen gleichermaßen) lassen sich (siehe Ref. 196 - 199 ) nur bis zu einer Kettenlänge von n = 10 als Differenzierungskriterium heranziehen. Die Bildung des demethylierten Quasimolekülions M-15⁺ erfolgt oberhalb dieses Massenbereiches nur noch mit sehr geringer Intensität. Daher ist eine Identifizierung über ihre EI-Spektren nicht durchführbar.

Zur Identifizierung ist daher die chemische Ionisierung besser geeignet. Zum Beispiel wurde von Bertrand et al. [ 201 ] Polydimethylsiloxan bei chemischer Ionisierung mit Methan als Referenzstandard für die Bestimmung exakter Massen vorgeschlagen.

170

10.3.2.1. GC - MS mit Elektronenstoß-Ionisierung

Stellvertretend wurde das Silikonöl Baysilone-MPH-100 für die Analysen ausgewählt.

Abb. 71 Massenchromatogramme von Baysilone-MPH-100.
Abszisse: Anzahl der Massenscans; jeweils unten: Totalionenchromatogramm Darüber befinden sich die Chromatogramme von jeweils zwei Ionen, die für cyclische (links) und lineare Siloxane (rechts) charakteristisch sind.

In Abb. 71 sind das RIC und Chromatogramme ausgewählter Massenzahlen zu sehen. Ab ca. 6.5 min (300-350 Massenscans) werden zwei homologe peak-Serien erkennbar, die aus jeweils einer intensiveren und einer schwächeren Komponente bestehen. Es handelt sich hier um dieselben Serien wie im FID-Chromatogramm ( Abb. 70 ). Auch im Bereich kleiner Retentionszeiten treten silikonhaltige peaks auf (nicht dargestellt, siehe RI-chromatogramm bei CI-MS: Abb. 73 ). Diese peaks bei kleineren Retentionszeiten stellen jedoch Artefakte dar, wie mit Analysen unter chemischer Ionisierung festgestellt werden kann (siehe 10.3.2.2 ).

Durch Darstellung einzelner Massenchromatogramme kann die Unterscheidung der Serien getroffen werden. So werden durch die Massen m/z 355 und m/z 429 fast ausschließlich die peaks der im RIC wenig intensiven Serie abgebildet. Umgekehrt zeigen sich in den Massenspuren von m/z 295 und m/z 369 fast nur die peaks der intensiven Serie aus dem RIC. Es ist daher sicher, daß sich beide Serien strukturell unterscheiden. Aufklären läßt sich diese Erscheinung durch Betrachtung der Spektren einzelner peaks.

Die Massenspektren der peaks Nr. 493, 501, 523 und 530 aus dem RIC (in Abb. 71 unten) zeigt Abb. 72 . Wie aus der Literatur entnommen werden kann [ 199 ], treten die Ionen m/z 355 und 429 bei höher homologen cyclischen Siloxanen intensiv auf, wohingegen die Bildung aus entsprechenden linearen Ketten nur mit geringer Intensität erfolgt. Die Ionen m/z 295 und 369 sind dagegen bei Cyclen schwächer ausgeprägt.

171

Abb. 72 EI-Massenspektren von je zwei Peaks der beiden Serien
links: lineare; rechts: cyclische Siloxane

10.3.2.2. GC-MS mit chemischer Ionisierung

Durch dieses Verfahren sollten die Molekulargewichte der einzelnen Siloxane durch Analyse der Molekülionen bestimmt werden. Es gelang jedoch nicht, ein ähnliches Totalionen-chromatogramm wie mit EI zu erhalten ( Abb. 73 ). Nur im Bereich kleiner Retentionszeiten sind Peaks zu erkennen. Oberhalb von ca. 6.5 min werden praktisch keine Substanzen mehr detektiert. Offensichtlich erfolgte keine NH₄⁺-Anlagerung bei den Siloxanen höheren Molekulargewichtes.

Die Spektren Nr. 230, 282 und 327 bei t_R = 4:43, 5:43 und 6:36 min zeigen Molpeaks bei den Massen 536, 610 und 684. Es handelt sich dabei um die Ammoniumkomplexe der cyclischen Siloxane der Ringgröße D₇-D₉. Siehe dazu auch Direktverdampfungs- bzw. Pyrolyse- MS mit silikonisierten Glaspulvern ( 4.2 , Abb. 41 ).

Die Spektren der schwachen Signale Nr. 259, 307 und 340 bei T_R = 5:16, 6:12 und 6: 51 min zeigen Molpeaks bei m/z 550, 624 und 702. Sie lassen sich daher als die korrespon-

172

Diese Substanzen sind in den eingesetzten Silikonölen jedoch nicht als Hauptkomponenten vorhanden und haben sich daher offensichtlich in der Lösung gebildet. Sie müssen deswegen als Artefakte bezeichnet werden.

Abb. 73 Totalionenchromatogramm von Baysilone-MPH-100 im CI-modus

Die Spektren der scans 462 und 532 im Maximum der später eluierenden, schwachen peaks lieferten keine Molekülionen. Die genuin im Silikonöl vorhandenen PDMS-Moleküle wurden unter den gegebenen Bedingungen anscheinend nicht ausreichend ionisiert. Die Bestimmung von Molekulargewichten konnte daher nicht durchgeführt werden.

10.3.3. Identifikation von Siloxanen über Analyse von Retentionsindices

Die Analyse von Retentionsindices als substanzspezifische Größe wurde von Kovats [ 202 , 203 ] begründet. Dabei wird zugrunde gelegt, daß jede Substanz auf einer bestimmten Säule bei einer gegebenen Temperatur eine spezifische Retention zeigt, über die dieser Stoff identifiziert werden kann.

Bei homologen Substanzen besteht unter isothermen Bedingungen zudem eine Abhängigkeit zwischen der Anzahl an Wiederholungseinheiten und dem Logarithmus der Retentionszeit [ 202 , 204 ]. Aus diesem Grund wählte Kovats die n-Alkane als Bezugsgrößen für das Retentionsindexsystem. Durch die Bestimmung des Retentionsindexes einer Substanz in bezug auf zwei homologe n-Alkane läßt sich der Index unter verschiedensten Geräte- und Temperaturbedingungen ermitteln. Bei der Bestimmung sollen zwei homologe n-Alkane den peak der gesuchten Komponente einschließen. Der Index wird dann wie folgt berechnet:

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(ts)x	= Nettoretentionszeit der zu bestimmenden Komponente
(ts)z	= Nettoretentionszeit des kürzerkettigen n-Kohlenwasserstoffes
(ts)z+1	= Nettoretentionszeit des längerkettigen n-Kohlenwasserstoffes
z	= Anzahl der C-Atome des kürzerkettigen n-Kohlenwasserstoffes

Diese Formel gilt für das Arbeiten bei isothermer GC-Steuerung. Beim temperaturprogrammierten Arbeiten mit konstanter Heizrate besteht näherungsweise eine lineare Abhängigkeit zwischen der Kettenlänge des n-Alkans (oder anderen Homologen) und der Retentionszeit (=linearer Retentionsindex). Zur Berechnung des Indexes können in Formel 0 die Bruttoretentionszeiten eingesetzt werden.

Die Extrapolation der Retentionszeiten von homologen Standards konnte wegen Ermangelung geeigneter Substanzen nicht durchgeführt werden. Cyclische oder lineare Polydimethylsiloxane mit längeren Ketten, die hierfür benötigt werden, sind im Handel schwer erhältlich. Es wurden daher Retentionsindices unter Bezugnahme auf das n-Alkan-System analysiert.

Dazu wurden die n-Alkane C₁₈-C₂₆ eingesetzt. Diese wurden zusammen mit Lösungen mehrerer verschiedenviskoser Silikonöle bei konstanter Heizrate von 20° C/min analysiert.

Dabei konnten einige früh eluierende Substanzen über den berechneten Index identifiziert werden. Es existieren nur wenige Literaturdaten für höhere Homologe, so daß der Vergleich nur für kleinere Moleküle durchgeführt werden konnte. In vielen Untersuchungen wurden nur die Ketten bzw. Ringgrößen von bis zu 10 Einheiten aufgeführt [ 181 , 205 ]. Für cyclische PDMS wurden 1990 von Fujimoto et al. [ 206 ] Retentionsdaten höhermolekularer Species (D₃-D₄₃) veröffentlicht.

Tab. 30 berechnete Retentionsindices (RI) und zugeordnete Siloxane

peak Nr. (tm+s)	berechneter RI	RI Literatur	identifizierte Substanz
1 (10.16)	2030	2031 [ 181 ] 2029 [ 206 ]	D10
2 (10.85)	2187	2185 [ 206 ]	D11
3 (11.47)	2342	2338 [ 206 ]	D12
4 (10.58)	2125	2100 [ 181 ]	MD8M
5 (11.25)	2286	keine Daten	MD9M
6 (11.87)	2445	keine Daten	MD10M

174

Abb. 74 Gaschromatogramm Silikonöl Baysilone-MPH-500 cSt. mit dotierten n-Alkanen zur Identifizierung von cyclischen und linearen Siloxanen in Silikonölen

Auf diese Weise war es möglich, die Anzahl der Wiederholungseinheiten der folgenden peaks in den Chromatogrammen entsprechend zu extrapolieren (siehe Abb. 74 ). Die letzten dargestellten peaks sind entsprechend gekennzeichnet.

10.3.4. Vergleichende Analyse von Silikonölen vor und nach dem Einbrennen

Durch Gelpermeationschromatographie ( 9.4.4.4 ) und Thermogravimetrie ( 12.3.2 ) wurde festgestellt, daß eine flüchtige Fraktion von ca. 0-50 Siloxaneinheiten durch das Einbrennen aus den Silikonölen entfernt wird. Durch vergleichende Untersuchungen sollte dieser Befund genauer dargestellt werden.

In Abb. 75 sind die Chromatogramme eines Baysilone-MPH-100 Silikonöls im Ausgangszustand und nach Einbrennsilikonisierung bei 320° C für 15 min dargestellt. Beide Lösungen wurden bei maximalen Temperaturprogrammen (bis 410° C) analysiert, um auch den höher molekularen Bereich darzustellen. Die Lösungen hatten fast identische Konzentrationen.

Der Vergleich zeigt, daß der überwiegende Teil der durch GC detektierbaren niedermolekularen Siloxane während der Einbrennsilikonisierung entfernt wurde. Nur ein geringer Anteil der homologen linearen Species zwischen ca. 25-50 Einheiten wird detektiert. Aber auch der Bereich der langen Ketten ist im Vergleich mit dem Ausgangszustand deutlich reduziert. Bis 25 Siloxaneinheiten kommt es durch die Behandlung also zum völligen Verlust der entsprechenden Substanzen, während die höheren Homologen mit zunehmender Kettenlänge weniger dezimiert werden.

Beim höherviskosen Silikonöl DC-360, 350 cSt. fällt der Vergleich ähnlich aus ( Abb. 76 ). Der bei diesem Produkt bereits im Ausgangszustand erheblich geringere Anteil an flüchtigen Bestandteilen wird durch die Einbrennsilikonisierung unter vergleichbaren Temperatur-Zeit-Bedingungen vollständig entfernt.

175

Abb. 75 Chromatogramme der flüchtigen Siloxane des Silikonöls Baysilone-MPH-100
oben: Ausgangszustand, Konzentration 1.27 mg/ml ;
unten: nach Einbrennsilikonisierung, Konzentration 1.23 mg/ml

Daher werden im Chromatogramm des eingebrannten Silikonöls keine Siloxanpeaks mehr detektiert, obwohl die Konzentration des Extraktes hier das 1½-fache des reinen Öles beträgt. Überraschend ist dabei, daß auch die Moleküle längerer Ketten oberhalb von 25-30 Siloxaneinheiten nicht mehr nachweisbar sind. Das Chromatogramm zeigt bei dieser Probe nur noch eine Basislinie ohne erkennbare Peaks.

Die Befunde dieser Analysen scheinen auf den ersten Blick widersprüchlich. Während beim niedriger viskosen und damit leichter flüchtigen Silikonöl Baysilone-MPH-100 noch detektierbare Moleküle zurückbleiben, geht der Verlust beim schwerer flüchtigen Dow Corning Silikonöl soweit, daß keine Siloxane mehr detektiert werden können. Vor dem Hintergrund, daß Siloxane einer Größe von über 40 Einheiten geschätzte Siedepunkte von 600-700° C und mehr besitzen, ist es nicht zu erklären, daß diese durch das Einbrennen bei 300° C verdampft werden. Zwar weisen einige der kürzerkettigen Substanzen bei den angewendeten Temperaturen bereits nennenswerte Dampfdrücke auf, jedoch erklärt das nicht deren vollständige Abwesenheit nach der Behandlung.

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Abb. 76 Chromatogramme der flüchtigen Siloxane des Silikonöls Dow Corning 360, 350 cSt.
oben: Ausgangszustand, Konzentration 1.20 mg/ml
unten: nach Einbrennsilikonisierung, Konzentration 1.80 mg/ml

Eine bessere Erklärung für die Abwesenheit der Siloxane nach der Einbrennsilikonisierung könnte die Zersetzung dieses Anteils im Sinne einer Hydrolyse oder oxidativen Spaltung und anschließendes Verdampfen der Reaktionsprodukte sein. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund wahrscheinlicher, daß bei Baysilone dieser Effekt nicht zu sehen ist. Dafür spricht auch die festgestellte erheblich geringere thermische Stabilität der Dow Corning 365 Silikonölemulsion unter vergleichenden Bedingungen in der TGA ( 12.3.6 ).

Die Ergebnisse bestätigen auch die Erkenntnisse aus den GPC- und TGA-Versuchsreihen. Die SEC-Analyse zeigte beim DC-Produkt ebenfalls die überraschende Reduktion des Silikonölanteils von Kettenlängen zwischen 50 und 100 Einheiten (siehe 9.4.4.4 ). In thermogravimetrischen Experimenten wurde beim Vergleich von Silikonölen in verschiedenen Atmosphären beobachtet, daß der Massenverlust im Temperaturbereich bis 340° C größer war als nach dem reinen Anteil von theoretisch verdampfbaren Siloxanen möglich wäre (siehe 12.3.3 ).

177

10.3.5. Anteile niedermolekularer Siloxane in Silikonölen

Wie auch bei den GPC- und TGA-Analysen wurden die Produkte der gesamten Viskositätsskala unter identischen Bedingungen untersucht (Injektion: PTV 60-375° C; Ofenprogramm: 3.5 min isotherm, dann mit 20°/min auf 390° und 15 min isotherm).

In Abb. 77 sind die Chromatogramme der Silikonöle dargestellt, die von beiden Herstellern in der gleichen Viskositätsstufe erhältlich sind. Alle Lösungen wurden mit Einwaagen von 0.95-1.05 mg/ml hergestellt, so daß die Intensität der Chromatogramme grundsätzlich vergleichbar ist.

10.3.5.1. Abhängigkeit von der Viskosität (qualitativ)

Mit steigender Viskosität nimmt der Gehalt an flüchtigen Siloxanen grundsätzlich ab. Beim 1000 cSt.-Öl von Dow Corning werden fast keine Substanzen nachgewiesen. Es finden sich lediglich Spuren der Siloxane zwischen ca. 20 und 40 Wiederholungseinheiten.

Bemerkenswert ist auch der Befund, daß bei den hochviskosen Baysilone-Ölen (1000 und 12500 cSt.) hauptsächlich cyclische Species gefunden werden. Die stärkste sichtbare peak-Serie wird hier von Cyclen gebildet. Beim 1000er Öl beobachtet man noch eine schwache Überlagerung durch die linearen Homologen, welche beim 12500 cSt.-Öl nicht mehr gefunden werden können. Beim entsprechenden Öl der DC-360er Reihe sind beide Serien bei insgesamt schwacher Intensität quantitativ etwa gleich vorhanden.

Es finden sich außerdem in allen Chromatogrammen zwischen 3 und 7 min drei peaks, welche als die Cyclen D₄-D₆ identifiziert werden. Diese stellen Artefakte dar, da sie in Läufen mit reinem Lösemittel genauso auftreten. Die Ursache dafür sind die im Glasliner des Injektors zurückbleibenden nichtflüchtigen Anteile der Silikonöle. Diese werden zu einem kleinen Teil bei den hohen Temperaturen der Injektion durch Pyrolyse gebildet. Das statistisch am häufigsten gebildete Hexamethylcyclotrisiloxan (D₃) wird durch das Lösemittelsignal überdeckt.

Da es denkbar ist, daß alle gefundenen auch höhermolekularen Cyclen Pyrolysevorgängen entstammen oder in den Lösungen entstehen, wurden zwei Versuche zur Abklärung dieses Verhaltens gemacht. Einerseits wurde die Injektortemperatur auf max. 250° C eingestellt und die Lösung von Baysilone MPH 12500 cSt. injiziert. Andererseits wurde eine Lösung desselben Öls hergestellt und sofort analysiert. Bei beiden wurde das gleiche Chromatogramm wie in Abb. 77 h registriert und damit nachgewiesen, daß die Lagerungszeit und die Injektionstemperatur das Ergebnis nicht beeinflußen. Die Dominanz cyclischer Siloxane in den hochviskosen Ölen ist damit als echt anzusehen.

Im Vergleich mit den Analysen von Nakamura et al. [ 195 ] ist festzustellen, daß hier sehr ähnliche Befunde erhalten werden konnten. Das Chromatogramm eines amerikanischen 1000 cSt. Silikonöls zeigte ebenfalls nahezu keine detektierbaren niedermolekularen Substanzen. Auch deren Detektion v.a. cyclischer Spezies in medical grade Qualitäten von DC- und Bayer-12500 cSt Silikonölen deckt sich mit den eigenen Ergebnissen.

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Abb. 77 Anteil niedermolekularer Siloxane bei verschiedenviskosen Silikonölen.
links: Dow Corning 360 medical fluid, rechts: Baysilone-MPH.
a+e: 100 cSt.; b+f: 350 cSt. c+g: 1000 cSt.; d+h: 12500 cSt.

10.3.5.2. Prozentualer Gehalt an Siloxanen

Der prozentuale Anteil der im GC trennbaren Substanzen bezogen auf die Gesamtmasse des Silikonöls wurde in einer halbquantitativen Berechnung abgeschätzt. Dazu wurden die cyclischen und linearen Siloxane D₅ und M₂D₃ als externe Standards verwendet. Von diesen Substanzen (Nr. 16 und 19) wurde eine Lösung der Konzentration 0.01 mg/ml in Toluol hergestellt und 1 µl dreifach injiziert. Die erhaltenen Peakflächen wurden ohne Berücksichtigung von Response-Faktoren auf die Konzentration bezogen und die erhaltenen Werte

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Tab. 31 Gehalt verschiedener Silikonöle an niedermolekularen Siloxanen

Produkt + Viskosität	Gehalt an flüchtigen Siloxanen [%] min max
Dow Corning 360, 20	42.23	53.46
Dow Corning 360, 100	8.28	10.36
Dow Corning 360, 350	2.22	2.55
Dow Corning 360, 1000	1.27	1.72
Dow Corning 360, 12500	1.29	1.41
Baysilone-M 100	7.63	11.98
Baysilone-MPH 50	17.65	25.57
Baysilone-MPH 100	8.12	13.85
Baysilone-MPH 300	3.88	7.64
Baysilone-MPH 350	2.63	6.22
Baysilone-MPH 500	2.98	4.36
Baysilone-MPH 1000	1.44	2.64
Baysilone-MPH 1500	1.11	2.56
Baysilone-MPH 12500	0.81	2.02

Ein Vergleich beider Chargen ist nicht möglich. Durch den externen Standardbezug treten teilweise hohe Schwankungen (Variationskoeffizienten bis 20%) der Ergebnisse einer jeweiligen Doppelinjektion auf. Weiterhin nahm die Detektionsempfindlichkeit bei der zweiten Charge ab, so daß hier grundsätzlich etwas niedrigere Ergebnisse erhalten wurden. Da die Bestimmung der externen Standards erst am Ende erfolgte, sind diese Werte realistischer zu beurteilen. Die Ergebnisse werden deswegen in Tab. 31 als Spannen dargestellt.

Besonders die Werte der 100 cSt. und der 350 cSt. Silikonöle sind interessant, da diese Produkte häufig zur Einbrennsilikonisierung eingesetzt werden. Es finden sich Gehalte von ca. 10% respektive 3-6% für die beiden Viskositätsstufen. Diese Werte decken sich auch weitestgehend mit den gelchromatographischen Ergebnissen (siehe 9.3.4.2 ). Dort wurde für die Fraktion mit bis zu 50 Kettengliedern (< 3700 g/mol) Spannen von 11-14% sowie 1.65-3.7% in der 100- und 350 cSt.-Klasse berechnet. Auch die übrigen Werte lassen sich größenordnungsmäßig gut vergleichen (nicht bei den 20 cSt-Ölen).

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß zur Bestimmung des Gehaltes von flüchtigen Siloxanen in Silikonölen eine Berechnung über die Gesamtfläche möglich ist. Sie wird aber in jedem Fall mit einem gewissen Fehler behaftet sein, da die Responsefaktoren für die einzelnen Siloxane nicht gleich sind [ 182 , 188 , 195 ]. Die Berechnung eines jeden einzelnen Gehaltes ist wegen der Komplexizität der Mischung kaum praktikabel. Außerdem fehlt es an Standards für die höher homologen Siloxane, mit denen entsprechende Ansprechfaktoren genau ermittelt werden können (vermutlich kommt es auch zur Diskriminierung der langen

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Für eine genauere Quantifizierung mittels GC sollte mit einer internen Standardkalibrierung gearbeitet werden, welche die Schwankungen der Methodik auszugleichen vermag.

10.3.5.3. Vergleich verschiedener Hersteller

Es fällt auf, daß bei den jeweiligen Dow Corning Produkten ( Abb. 77 links) sowohl Intensität als auch Anzahl der detektierten peaks immer geringer ist. Die qualitativen Unterschiede sind v.a. im Bereich der kurzkettigsten Moleküle auszumachen.

Diese Substanzen sind es auch, welche hinsichtlich physiologischer Bedenklichkeit im Vordergrund stehen, da sie reaktionsfreudiger sind. So erkennt man beim Vergleich der 100 cSt.-Silikonöle von Bayer und Dow Corning, daß die Verteilung bei Dow Corning zur niedermolekularen Seite hin steiler abfällt. Die linearen Siloxane der Kettenlänge 9-13 und die analogen Cyclen fehlen dort. Bei den höherviskosen 350 cSt. Ölen verhält es sich ähnlich. Hier werden bei Dow Corning die Ketten und Cyclen von n = 9-15 nicht gefunden, bei Baysilone sind sie klar erkennbar. Das Ergebnis entspricht auch der Spezifikation des Herstellers, der cyclische und lineare Species der Kettenlängen n = 4-14 mit < 0.1% angibt. (Die Prüfung wird dort ebenfalls mit GC durchgeführt.)

Das chromatographische Bild läßt vermuten, daß die Dow Corning Produkte einem Verfahren unterzogen werden, welches die Substanzen niedrigeren Molekulargewichtes entfernt. Da durch Optimierung der Synthesebedingungen die kleinen Moleküle nicht völlig ausgeschlossen werden können, kommen für die Nachbehandlung folgende Verfahren in Betracht: Entweder führt man eine Fraktionierung über die Löslichkeit durch, wie sie von Nakamura et al. [ 195 ] z.B. mit Aceton vorgestellt wurde. Oder man behandelt die Produkte für einige Zeit mit hohen Temperaturen (größer 200° C) um die leichtflüchtigen Siloxane abzutrennen.

Das Chromatogramm der Dow Corning-Öle im Lieferzustand ähnelt stark denjenigen, die Nakamura et al. [ 195 ] von über 24 h bei 200 ° C gelagerten Ölen aufnahmen. Es ist daher sehr wahrscheinlich, daß die niedermolekularen Substanzen durch Erhitzen abgetrennt wurden.

Für eine gute pharmazeutische Qualität ist es sicher sinnvoll, die betreffenden Stoffe auszuschließen. Daher können die Dow Corning Produkte in diesem Punkt günstiger bewertet werden. Es muß jedoch andererseits bedacht werden, daß dieser Gesichtspunkt keine Rolle spielt, wenn die Silikonöle einer Einbrennsilikonisierung aus wäßriger Emulsion unterzogen werden. Wie unter 10.3.4 bereits gezeigt, werden dabei alle Siloxane mit Kettenlängen kleiner 25 Einheiten vollständig entfernt.

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10.4. Zusammenfassung

Eine Hochtemperatur-Gaschromatographie-Methode für flüchtige Siloxane wurde entwickelt und zur Untersuchung handelsüblicher medical-grade Silikonöle und deren Zustand nach Einbrennsilikonisierung angewandt.

In den Chromatogrammen fanden sich fast immer zwei differenzierbare Serien von Siloxanen. Diese konnten mit GC-MS als lineare und cyclische Polydimethylsiloxane identifiziert werden. Die Molekulargewichtsbestimmung einzelner peaks durch GC-CI-MS gelang nicht, da die höhermolekularen Substanzen kaum NH₄⁺ -Komplexe bildeten. Die Identifizierung einzelner, niedermolekularer Substanzen konnte durch Bestimmung von Kovats` Retentionsindices mit dem n-Alkan-System durchgeführt und über das gesamte Chromatogramm extrapoliert werden.

Die Identifizierung ergab, daß bei Anwendung maximaler Injektions- und Ofentemperaturen lineare Siloxane mit bis zu 54 Kettengliedern detektiert werden konnten. Cyclische Spezies fanden sich bis zu einer Ringgröße von max. 46 Einheiten. Dies sind die größten Siloxanmoleküle, die bisher mit GC analysiert wurden. Eine Fortsetzung der chromatographisch getrennten Serien in noch höhere Bereiche wurde durch die maximale Injektionstemperatur von 400° C und der gleich hohen Belastbarkeit der Säule begrenzt. Bei entsprechender Ausweitung dieser Grenzwerte auf 450° C könnten noch größere Moleküle detektiert werden, allerdings ist dann auch mit zunehmender Pyrolyse zu rechnen.

Unter diesen Voraussetzungen wurde ein Vergleich zwischen Silikonölen im Ausgangszustand und deren Produkte nach Einbrennsilikonisierung durchgeführt. Am Beispiel der Silikonöle Baysilone-MPH-100 und DC 360, 350 cSt. wurde die Veränderung aufgezeigt, die diese Produkte durch authentische Einbrennbedingungen erfahren hatten.

Bei beiden wurde eine drastische Abnahme der GC-detektierbaren Substanzen gefunden. Überraschenderweise war diese Reduktion beim höherviskosen 350 cSt.-Öl noch vollständiger als beim insgesamt leichter flüchtigen 100 cSt.-Öl. Während beim eingebrannten, niedrigerviskosen Produkt noch höhere Kettenlängen nachzuweisen waren, fanden sich beim eingebrannten Extrakt des DC-Produktes keine GC-detektierbaren Siloxane mehr, obwohl beide unter vergleichbaren Bedingungen behandelt worden waren.

Diese Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß während der Einbrennsilikonisierung noch andere Prozesse neben der reinen temperaturbedingten Verdampfung stattfinden. Wahrscheinlich kommt es hier im merklichen Ausmaß zu abbauenden Reaktionen. Diese Theorie wird auch durch die TG- und GPC-Ergebnisse gestützt. Im ersten Fall konnte eine deutlich geringere Stabilität der Dow Corning Emulsion nachgewiesen werden. Im zweiten Fall (GPC) wurde eine merkliche Reduktion des Siloxananteils mit Kettenlängen zwischen 50 und 100 Siloxaneinheiten detektiert.

Vergleiche an handelsüblichen Silikonölen unterschiedlicher Viskosität von zwei Herstellern lieferten weitere Informationen über diese Produkte.

• Mit steigender Viskosität finden sich stark abnehmende Anteile an GC-detektierbaren Siloxanen in den jeweiligen Ölen.

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• Gleichviskose Produkte verschiedener Hersteller unterscheiden sich im niedermolekularen Bereich.
• Silikonöle der Dow Corning Reihe bis 1000 cSt. wurden nach der Synthese anscheinend künstlich verändert. Die vermutliche Lagerung bei höheren Temperaturen führte zum Entfernen der kleinen Siloxanmoleküle der Kettenlänge von bis zu 14 Einheiten. Dies entspricht auch der Herstellerspezifikation.
• In hochviskosen Ölen wurden vorwiegend cyclische Siloxane detektiert. Diese traten in deutlich größerer Menge als in den niedrigeren Viskositätsstufen auf.

Die hochauflösende Gaschromatographie erwies sich als praktikables Verfahren zur Auftrennung flüchtiger Polydimethylsiloxane in ihre Homologen. Sie läßt sich besonders für einen Bereich einsetzen, in dem starke Veränderungen durch die Einbrennsilikonisierung stattfinden.

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